Los descubridores de los puntos cuánticos ganan el Nobel de Química 2023
Los científicos Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Alexei I. Ekimov, que actualmente trabajan en EE UU, han recibido el galardón por desarrollar pequeñísimos componentes de nanotecnología: coloridos cristales formados por unos pocos miles de átomos. Entre sus muchas aplicaciones, difunden su luz en televisores y lámparas LED, además de guiar a los cirujanos para extirpar los tumores.
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha conceddido el Premio Nobel de Química 2023 a Moungi G. Bawendi del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Louis E. Brus de la Universidad de Columbia y Alexei I. Ekimov de la compañía Nanocrystals Technology «por el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos«. Los tres investigadores, que desarrollan su trabajo en centros de EE UU, plantaron una importante semilla para la nanotecnología.
Un punto cuántico es un cristal nanométrico que suele estar formado por unos pocos miles de átomos. En términos de dimensiones, tiene la misma relación con un balón de fútbol que este con el tamaño de la Tierra. Son nanopartículas tan diminutas que su tamaño determina sus propiedades.
El tamaño de un punto cuántico es a un balón de fútbol, lo que a este a la Tierra. / ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Todo el que estudia química aprende que las propiedades de un elemento se rigen por el número de electrones que tiene. Sin embargo, cuando la materia se reduce a dimensiones nanométricas surgen fenómenos cuánticos, que se rigen por el tamaño de la materia.
Los tres premios Nobel de Química 2023 han logrado producir partículas tan pequeñas que sus propiedades están determinadas por estos fenómenos cuánticos.
Los puntos cuánticos tienen muchas propiedades inusuales, con diferentes colores en función de su tamaño, y se aplican en el campo de la nanotecnología
«Los puntos cuánticos tienen muchas propiedades fascinantes e inusuales. Y lo que es más importante, tienen diferentes colores en función de su tamaño», afirma Johan Åqvist, presidente del Comité Nobel de Química.
Los físicos sabían hacía tiempo que, en teoría, podían surgir efectos cuánticos dependientes del tamaño en las nanopartículas, pero en aquel momento era casi imposible esculpir en nanodimensiones. Por eso, pocos creían que estos conocimientos fueran a tener un uso práctico.
Avance hacia las aplicaciones
Sin embargo, a principios de la década de 1980, Alexei Ekimov (antigua URSS, 1945), consiguió crear efectos cuánticos dependientes del tamaño en cristal coloreado. El color procedía de nanopartículas de cloruro de cobre y Ekimov demostró que el tamaño de las partículas afectaba al colorido del cristal a través de efectos cuánticos.
Estos efectos surgen cuando las partículas se ‘encogen’: su tamaño determina el espacio disponible para los electrones, afectando a sus propiedades ópticas. Los puntos cuánticos absorben la luz y luego la emiten a otra longitud de onda, y se observa así que su color depende del tamaño de la partícula.
Los efectos cuánticos surgen cuando las partículas se ‘encogen’, y el color depende de su tamaño. Los puntos cuánticos absorben la luz y luego la emiten a otra longitud de onda. / ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
El Nobel premia “el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos» llevados a cabo por Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Alexei I. Ekimov
Unos años más tarde, Louis Brus (Cleveland, EE UU, 1943), fue el primer científico del mundo en demostrar efectos cuánticos dependientes del tamaño en partículas que flotan libremente en un fluido.
Después, en 1993, Moungi Bawendi (París, Francia, 1961), revolucionó la producción química de puntos cuánticos, obteniendo partículas casi perfectas. Esta alta calidad era necesaria para poder utilizarlas en aplicaciones.
Esquema del método de Moungi Bawendi para producir puntos cuánticos: inyección de sustancias para generar cristales de seleniuro de cadmio (1), que dejaban de formarse cuando el disolvente se enfriaba (2). Al volverlo a calentar, crecían de nuevo los cristales, más grandes si se dejaban más tiempo (3). / ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
En la actualidad, los puntos cuánticos son de gran importancia en nanotecnología. Estos pequeñísimos componentes iluminan monitores de ordenador y pantallas de televisión basados en la tecnología QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode).
Los puntos cuánticos iluminan monitores de ordenador y pantallas de televisión basados en tecnología QLED
También añaden matices a la luz de algunas lámparas LED, y los bioquímicos y médicos los utilizan para cartografiar tejidos biológicos. Además, ayudan a los cirujanos en sus intervenciones, como la extirpación de tejidos tumorales.
Los puntos cuánticos están aportando grandes beneficios a la humanidad, destacan los responsables del Nobel. La comunidad científica también cree que en el futuro podrían contribuir a la electrónica flexible, los sensores diminutos, las células solares más finas y la comunicación cuántica encriptada. La exploración del potencial de estas diminutas partículas no ha hecho más que empezar.
Nobel de Física 2023 para los científicos que iluminaron el mundo de los electrones
Los físicos franceses Pierre Agostini y Anne L’Huillier, junto al húngaro Ferenc Krausz, reciben el galardón por desarrollar métodos experimentales que generan brevísimos pulsos de luz para estudiar la dinámica de los electrones en el interior de átomos y moléculas. L’Huillier es la quinta mujer que consigue este galardón.
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha concedido el Premio Nobel de Física 2023 a Pierre Agostini de la Universidad Estatal de Ohio (EE UU), Ferenc Krausz del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y la Universidad de Múnich (Alemania), y Anne L’Huillier de la Universidad de Lund (Suecia) «por los métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos (10−18 s) para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia».
Los tres galardonados han sido reconocidos por sus experimentos, que han proporcionado a la humanidad nuevas herramientas para explorar el mundo de los electrones en el interior de átomos y moléculas. Han demostrado una forma de crear pulsos de luz extremadamente cortos que pueden utilizarse para medir los rápidos procesos en los que los electrones se mueven o cambian de energía.
Los galardonados con el Nobel han desarrollado herramientas de luz para adentrarse en el mundo de los electrones. / © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Los tres físicos han demostrado una forma de crear pulsos de luz extremadamente cortos para medir los rápidos procesos en los que los electrones se mueven o cambian de energía
El ser humano percibe los eventos que se suceden a gran velocidad como si fluyeran unos dentro de otros, del mismo modo que una película compuesta de imágenes fijas se percibe como un movimiento continuo. Si queremos investigar acontecimientos realmente breves, necesitamos una tecnología especial.
En el mundo de los electrones, los cambios se producen en unas décimas de attosegundo, un valor tan corto que hay tantos en un segundo como segundos ha habido desde el nacimiento del universo.
Imágenes del interior de átomos y moléculas
Los experimentos de los galardonados han producido pulsos de luz tan breves que se miden en estas unidades tan pequeñas, demostrando así que los attosegundos se pueden utilizar para proporcionar imágenes de procesos en estructuras a escala atómica y molecular.
Sus experimentos han producido pulsos de luz tan cortos que se miden en attosegundos, lo que demuestra que estos pulsos pueden utilizarse para proporcionar imágenes de procesos en el interior de átomos y moléculas
En 1987, Anne L’Huillier (Paris-Francia, 1958) descubrió que surgían muchos sobretonos de luz diferentes cuando transmitía luz láser infrarroja a través de un gas noble. Cada sobretono es una onda luminosa con un número determinado de ciclos para cada ciclo de luz láser.
Se deben a la interacción de esta con átomos de gas, que proporciona a algunos electrones una energía extra que se emite en forma de luz. Anne L’Huillier ha seguido explorando este fenómeno, sentando las bases para posteriores avances.
En 2001, el también francés Pierre Agostini consiguió producir e investigar una serie de pulsos de luz consecutivos, en los que cada pulso duraba solo 250 attosegundos. Al mismo tiempo, Ferenc Krausz (Mór-Hungría, 1962) trabajaba con otro tipo de experimento, uno que permitía aislar un único pulso de luz que duraba 650 attosegundos.
Seguir procesos ultrarrápidos
Las contribuciones de los premiados han permitido investigar procesos tan rápidos que antes eran imposibles de seguir.
«Ahora podemos abrir la puerta al mundo de los electrones. La física de los attosegundos nos brinda la oportunidad de comprender mecanismos gobernados por electrones. El siguiente paso será utilizarlos», afirma Eva Olsson, presidenta del Comité Nobel de Física.
Hay aplicaciones potenciales en muchas áreas diferentes. En electrónica, por ejemplo, es importante entender y controlar cómo se comportan los electrones en un material. Además, los pulsos de attosegundos se pueden emplear para identificar distintas moléculas, como en el diagnóstico médico.
Quinta premio Nobel de Física
Desde que se comenzó a conceder en 1901 el Premio Nobel de Física, dotado actualmente con 11 millones de coronas suecas, solo cinco mujeres lo han recibido: Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018, que recientemente ha recibido la Medalla de Oro del CSIC), Andrea Ghez (2020) y ahora, en 2023, Anne L’Huillier.
